DE60305124T2 - Multifunctional integrated optical system with a CMOS or CCD matrix - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere zur Verwendung an Motorfahrzeugen, zum Erfassen von Umweltparametern, wie beispielsweise eines Beschlagens der Motorfahrzeug-Windschutzscheibe oder des Vorhandenseins von Regentropfen auf der Windschutzscheibe oder von Zuständen einer schwachen Beleuchtung beim Fahren durch einen Tunnel, unter einer Brücke oder aufgrund einer Dämmerung oder des Vorhandenseins von leichtem Regen oder Nebel oder des Treffens auf ein anderes Fahrzeug, wobei das System auch zum Überwachen der Szenerie vor dem Fahrzeug ("Vorderseitenüberwachung") zu verwenden ist, um beispielsweise das Vorhandensein einer Kurve zeitlich derart im Voraus zu erfassen, dass veranlasst wird, dass die Bewegung des adaptiven Abblendlichts vor der Kurve beginnt, oder um eine Seitenbewegung des Fahrzeugs in Richtung zu Straßenspurmarkierungslinien ("Straßenspurwarnung") zu signalisieren.The The present invention relates to an optical system, in particular for use on motor vehicles, for detecting environmental parameters, such as fogging the motor vehicle windshield or the presence of raindrops on the windshield or states a dim lighting while driving through a tunnel, under a bridge or due to a dusk or the presence of light rain or fog or the meeting to another vehicle, the system also for monitoring the scene in front of the vehicle ("front side monitoring") is to be used, for example, the presence of a curve in such a time to grasp in advance that the movement of the adaptive low-beam before the curve begins, or to a lateral movement of the vehicle towards road markings ("road lane warning").
Ein optisches System von dem Typ, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angezeigt ist, ist aus WO A-0 053 466 bekannt. Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Szenerie vor dem Fahrzeug sowie zum Erfassen von verschiedenen Zuständen, wie beispielsweise eines Vorhandenseins von Regentropfen auf der Windschutzscheibe, eines Dämmerungszustands und eines Fahrens durch einen Tunnel, auch aus DE-A-197 04 818 bekannt.One Optical system of the type defined in the preamble of claim 1 is known, is known from WO A-0 053 466. Furthermore, one is Device for detecting the scenery in front of the vehicle as well as for Capturing different states, such as for example, a presence of raindrops on the windshield, a twilight state and driving through a tunnel, also known from DE-A-197 04 818.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht im Ausführen eines relativ einfachen und zuverlässigen Systems, das effizient das gesamte oder einen Teil der vorgenannten Funktionen durchführen kann. Ein weiteres Ziel besteht darin, besser als aktuelle Systeme für Motorfahrzeuge zu sein, indem eine Packungsintegration von unterschiedlichen Sensoren zur Verfügung gestellt wird.The The aim of the present invention is to carry out a relatively simple and reliable System that efficiently covers all or part of the above Perform functions can. Another goal is better than current systems for motor vehicles to be a package integration of different sensors for disposal is provided.
Angesichts einer Erreichung des Ziels betrifft die Erfindung ein optisches System, wie es im Anspruch 1 definiert ist.in view of To achieve the goal, the invention relates to an optical System as defined in claim 1.
Die Erfindung hat insbesondere das Ziel, ein optisches System von dem Typ, auf den oben Bezug genommen ist, unter Verwendung einer monochromatischen, linearen oder logarithmischen VGA-CMOS-Matrix derart in ein Motorfahrzeug zu integrieren, dass es beispielsweise nahe einem inneren Rückspiegel des Motorfahrzeugs platziert wird, um mehrere Funktionen unter folgenden durchzuführen: eine Regenerfassung, eine Vernebelungserfassung bzw. Beschlagserfassung, eine Nebelerfassung, eine Dämmerungserfassung, eine Erfassung eines Fahrens in einem Tunnel, eine Erfassung eines Treffens auf ein anderes Fahrzeug, eine Vorderseitenüberwachung.The The invention has the particular object of an optical system of the Type referred to above using a monochromatic, linear or logarithmic VGA-CMOS matrix such in a motor vehicle to integrate that, for example, close to an interior rearview mirror The motor vehicle is placed to perform several functions below perform: a rain detection, a fog detection or fog detection, a fog detection, a twilight detection, a detection of driving in a tunnel, a detection of a meeting to another vehicle, a front side monitor.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2-26 definiert.Further preferred and advantageous features of the invention are in the dependent claims 2-26 Are defined.
Offensichtlich werden Ausgangssignale von einem visuellen Matrixsystem in Richtung zu einem Elektroniksystem gerichtet, das Bilder in Bezug auf die verschiedenen Unterbereiche (durch eine "Fensterbildung" in dem Fall von CMOS-Kameras) erfasst und sie dann verarbeitet.Obviously be output signals from a visual matrix system in the direction directed to an electronic system that images in relation to the various subregions (through "windowing" in the case of CMOS cameras) and She then processed.
Weitere charakteristische Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich werden, die lediglich als nicht beschränkendes Beispiel vorgesehen sind, wobei:Further Characteristic features and advantages of the invention are intended to be apparent the following description with reference to the accompanying drawings which are merely non-limiting Example are provided, wherein:
Die Aufteilung der verschiedenen Unterbereiche berücksichtigt einige grundlegenden Kriterien:
- 1. Die Neigung der Matrix, wenn sie an dem inneren Rückspiegel des Motorfahrzeugs angebracht ist, hängt von der Richtung der optischen Achse zum Durchführen einer Vorderseitenüberwachungsfunktion einer Szenerie ab;
- 2. Für jede Funktion ist die Größe der Bereiche eine Funktion der Blickfelder und der erforderlichen Auflösung;
- 3. Die Positionen der Bereiche hängen ab von der Richtung der optischen Achse jeder Funktion und von der Notwendigkeit zur Trennung von Bereichen, in welchen Pixel nicht verwendet werden;
- 4. Ein einzelner Bereich kann für mehrere Funktionen bestimmt sein; oder ein Teil des Bereichs, der für eine Funktion bestimmt ist, kann auch für eine andere Funktion bestimmt sein.
- 1. The inclination of the matrix, when mounted on the interior rearview mirror of the motor vehicle, depends on the direction of the optical axis for performing a front-side monitoring function of a scene;
- 2. For each function, the size of the areas is a function of the fields of view and the resolution required;
- 3. The positions of the regions depend on the direction of the optical axis of each function and the need to separate regions in which pixels are not used;
- 4. A single area may be dedicated to multiple functions; or a part of the area intended for a function may also be intended for another function.
Mögliche Messtechniken,
die zum Entwickeln der Funktionen zu verwenden sind, auf die in
WindschutzscheibenvernebelungWindshield fogging
Passives System: An einer Außenfläche der Windschutzscheibe liegt ein Referenzbild, wie beispielsweise ein Gitter, das auf die CMOS-Matrix fokussiert wird. Die Schärfe des Bildes hängt von dem Ausmaß der Vernebelung bzw. des Beschlags der Innenfläche der Windschutzscheibe ab. Die kritischen Punkte dieser Technik sind die Folgenden: die Empfindlichkeit gegenüber Vernebelungsausmaßen, die durch menschliche Augen nicht gesehen werden können; die Abhängigkeit des Signals von einer Umgebungsbelichtung.passive System: On an outer surface of the windshield is a reference image, such as a grid, which is on the CMOS matrix is focused. The sharpness of the picture depends on the extent of Nebulization or the fitting of the inner surface of the windshield. The critical points of this technique are the following: the sensitivity across from Nebulization dimensions, which can not be seen by human eyes; the dependence the signal from an ambient exposure.
Aktives
System: – wie
es in den
Regenrain
Die CMOS-Matrix erfasst das Bild von Tropfen, die auf der Außenfläche der Windschutzscheibe liegen. Eine quantitative Analyse kann an einem einzelnen Bild beispielsweise durch Berücksichtigen des Spektrums bezüglich einer räumlichen Frequenz oder durch Vergleichen von aufeinander folgenden Bildern mit statistischen Methoden ausgeführt werden. Um die Abhängigkeit von äußeren Belichtungsbedingungen zu eliminieren, die einen Tropfenkontrast beeinflussen, und um auf eine einheitliche und zeitlich konstante Weise den in Frage stehenden Windschutzscheibenbereich auszuleuchten, werden eine LED-Quelle bei einer Strahlung nahe des Infrarotbereichs und ein auf eine LED-Wellenlänge eingestelltes Bandpassfilter verwendet.The CMOS matrix captures the image of drops on the outer surface of the Windscreen lie. A quantitative analysis can be done at one single picture, for example, by considering the spectrum with respect to a spatial Frequency or by comparing successive pictures be performed with statistical methods. To the dependence from external exposure conditions to eliminate, which affect a drop contrast, and on a uniform and temporally constant way the subject windshield area illuminate an LED source at a radiation near the Infrared range and a bandpass filter tuned to an LED wavelength used.
Dämmerung/TunnelDusk / tunnel
Zwei
Matrixbereiche werden für
Beleuchtungsmessungen bestimmt, die von zwei unterschiedlichen Richtungen
aus ausgeführt
werden (siehe
- – kleiner fester Winkel A in Fahrtrichtung (beispielsweise 10°C);
- – größerer fester Winkel B (beispielsweise 40°), der nach oben gerichtet ist, um eine Messung einer durchschnittlichen Belichtung um eine aktuelle Fahrzeugposition zu erreichen.
- - small fixed angle A in the direction of travel (for example 10 ° C);
- A larger fixed angle B (for example 40 °) pointing upwards in order to obtain a measurement of an average exposure around an actual vehicle position.
Nebelfog
Passiver Sensor: eine passive Nebelerfassung wird durch eine Szeneriebilderfassung in dem Bereich durchgeführt, der für eine Vorderseitenüberwachung bestimmt ist, und durch eine darauf folgende Analyse einer Bildschärfe. Sie ermöglicht, die Nebelbank im Voraus in Bezug auf ein aktives System zu erfassen, welches einen beschränkten Aktionsbereich hat.passive Sensor: Passive fog detection is done by scene capture performed in the area the for a front side monitor is determined, and by a subsequent analysis of an image sharpness. she allows the Fog bank to record in advance in terms of an active system which is a limited one Action area has.
Aktiver
Sensor: der Sichtbarkeitssensor weist ein Sendemodul (LED oder Laserdiode
bei einer Infrarotstrahlung) und ein Empfangsmodul (CMOS-Kamera)
auf. Die zwei Blickfelder überlagern sich
teilweise. Im Fall von Nebel veranlasst die Tröpfchenkonzentration in dem Überlagerungsbereich eine
Rückstreuung
des Bündels,
was durch den Sensor erfasst wird (
Treffen auf ein FahrzeugMeet up a vehicle
Die
CMOS-Kamera bildet einige Teile der Straßenszenen vor dem Fahrzeug.
Die Matrix der
Vorderseitenüberwachung der SzenerieFront monitoring the scenery
Der
Hauptteil der Matrix der
Das
in
CMOS-MatrixCMOS matrix
Insoweit eine visuelle CMOS-Matrix betroffen ist, sind die Haupterfordernisse, die sie für die in den vorangehenden Absätzen vorgeschlagene multifunktionelle Integration erfüllen sollte, die folgenden:
- – VGA-Format: dieses Format ermöglicht eine Aufteilung der Matrix in sieben verwendete Bereiche und in eine Trennung von Bereichen, in welchen Pixel nicht verwendet werden;
- – Pixelgröße: eine sehr kleine Pixelgröße impliziert eine höhere Schwierigkeit beim Ausführen von bestimmten optischen Systemen für jede Funktion/jeden Bereich;
- – monochromatisch oder farbig: die Verwendung einer Farbmatrix würde den Einsatz von optischen Filtern vermeiden, die für die Funktion "Treffen auf ein Fahrzeug" erforderlich sind, jedoch zum Nachteil einer Raumauflösungsfähigkeit;
- – lineare oder logarithmische Reaktion: einige Funktionen basieren auf der quantitativen Festsetzung eines Parameters, für welchen es besser wäre, eine lineare Reaktion des Sensors und eine konstante Integrationszeit zu haben; insoweit der dynamische Bereich betroffen ist, ist es jedoch vorzuziehen, einen Sensor mit logarithmischer Reaktion zu verwenden.
- – Dynamikbereich: Vorderseitenüberwachungsfunktionen erfordern, dass der Sensor einen Belichtungsbereich oberhalb von 80 dB abdecken kann, da typische Szenerien eine Situation enthalten können, die von einer Dämmerung zu direkten Sonnenstrahlen variiert;
- – Empfindlichkeit: dies ist ein wichtiger Parameter für Vorderseitenüberwachungsfunktionen während eines Fahrens in der Nacht mit einem niedrigen Beleuchtungspegel (beispielsweise gilt für Dämmerung = 1 Lux) oder für eine Nebelfunktion, wenn die Rückstreustrahlung, die gesammelt wird, sehr gering ist (im Bereich von nW);
- – spektrale Reaktion: der Sensor sollte eine gute Reaktion im Bereich von 800–900 nm haben (der für aktive Funktionen verwendet wird – wo das Windschutzscheibenglas eines standardmäßigen Motorfahrzeugs eine Transmittanz von etwa 30 % hat); für eine "Dämmerung"-Funktion solle der Sensor eine Reaktion möglichst gleich derjenigen von menschlichen Augen haben (fotometrische Reaktion);
- – Framerate: Framerate ist kein kritischer Parameter, solange schnelle Erfassungen mittels einer Fenstergebung durchzuführen sind, und darauf folgend dann digitale Filtertechniken zu implementieren sind (beispielsweise in dem Fall der Funktion eines Treffens auf ein Fahrzeug, in welchem es nützlich wäre, die modulierte Strahlung, die von mit Wechselspannung versorgten Lichtquellen mit Frequenzen von 50- 60 Hz kommt, zu beschneiden).
- - VGA format: this format allows to divide the matrix into seven areas used and to separate areas where pixels are not used;
- Pixel size: a very small pixel size implies a higher difficulty in running certain optical systems for each function / area;
- Monochromatic or colored: the use of a color matrix would avoid the use of optical filters required for the on-vehicle function, but to the detriment of space resolution capability;
- Linear or logarithmic reaction: some functions are based on the quantitative determination of a parameter for which it would be better to have a linear sensor response and a constant integration time; however, as far as the dynamic range is concerned, it is preferable to use a logarithmic sensor.
- - Dynamic range: Front monitor functions require the sensor to cover an exposure range above 80 dB, as typical scenes may contain a situation that varies from dusk to direct sun;
- Sensitivity: this is an important parameter for front monitor functions during night driving with a low level of illumination (for example, for dusk = 1 lux) or for a fog function when the backscatter radiation being collected is very low (in the range of nW );
- Spectral response: the sensor should have a good response in the range of 800-900 nm (which is used for active functions - where the windshield glass of a standard motor vehicle has a transmittance of about 30%); for a "twilight" function, the sensor should have a response as close as possible to that of human eyes (photometric reaction);
- Frame rate: frame rate is not a critical parameter as long as fast captures are to be performed by windowing and then digital filtering techniques are to be implemented (for example, in the case of meeting a vehicle in which it would be useful to have the modulated radiation, which comes from AC powered light sources with frequencies of 50-60 Hz comes to crop).
Bei einem praktischen Beispiel eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist eine logarithmische monochromatische VGA-CMOS-Kamera verwendet worden, ausgeführt mit einer CMOS-Technologie von 0,35 Mikron. Sie integriert die Matrix von aktiven Pixeln, Verstärkungsstufen, einen 10-Bit-A/D-Wandler und die Schnittstelle für einen Mikroprozessor. Die Fotodiodenmatrix wandelt kontinuierlich Strahlung in Spannung um (ohne Ladungsintegration, wie es typisch bei linearer CMOS ist), und daher können Pixel zu jedem Zeitpunkt gelesen werden.at a practical example of an embodiment of the invention is a logarithmic monochromatic VGA CMOS camera used been executed with a CMOS technology of 0.35 microns. It integrates the matrix of active pixels, gain levels, a 10-bit A / D converter and the interface for a microprocessor. The Photodiode array continuously converts radiation into voltage (without charge integration, as is typical with linear CMOS), and therefore you can Pixels are read at any time.
Der durch die Fotodioden erzeugte Strom hat eine lineare Abhängigkeit von der Intensität der einfallenden Strahlung. Die Versorgungsschaltung der Fotodiode hat eine logarithmische Eigenschaft, so dass eine Pixel-Spannungsausgabe proportional zum Logarithmus der einfallenden Strahlung ist.The current generated by the photodiodes has a linear dependence on the intensity of the incident radiation. The supply circuit of the photodiode has a logarithmic property, so a pixel voltage output is proportional to the logarithm of the incident radiation.
In
Bezug auf ein Sensorpaket ist das letztere in
- – die optischen Systeme sollten derart platziert sein, dass eines neben dem anderen ist. Dies begrenzt die Größe von einzelnen Komponenten. Bei der Bewertung der Grenzen sollten mögliche mechanische Lösungen für Montage- und Packungsoperationen auch berücksichtigt werden;
- – die Nähe der Bereiche resultiert in Störungen zwischen den Signalen der einzelnen Funktionen aufgrund der teilweisen Überlagerung von Bildebenen. Bezüglich dieser Probleme sollte ein Trennungssystem für die einzelnen Bereiche entwickelt werden.
- The optical systems should be placed in such a way that one is next to the other. This limits the size of individual components. When evaluating the limits, possible mechanical solutions for assembly and packaging operations should also be considered;
- - The proximity of the areas results in interference between the signals of the individual functions due to the partial overlay of image planes. With regard to these problems, a separation system for each area should be developed.
Eine weitere in Betracht zu ziehende Eigenschaft ist die Ausrichtung der optischen Achse für jede Funktion. Es ist offensichtlich, dass es zum Erfüllen aller Erfordernisse nötig ist, Lösungen zum Ändern der Richtung der optischen Achse zu finden. Zu diesem Zweck verwendet die Erfindung, wie es im Folgenden offensichtlich werden wird, Prismen und optische Fasern.A Another feature to consider is the orientation the optical axis for each Function. It is obvious that it is necessary to fulfill all requirements, solutions to change to find the direction of the optical axis. Used for this purpose the invention, as will become apparent hereinafter, prisms and optical fibers.
Da für alle Funktionen der Abstand des Zielpunkts über einem 10-fachen der Brennweite liegt, soll der Abstand zwischen optischem System und Sensor (Bildpunkt) nahezu derselbe wie die Brennweite sein, was für "Regen"-, "Dämmerung"- und "Treffen auf ein Fahrzeug"- (Erfassung von Rücklichtern)-Funktionen unter 5 mm ist. Der Abstand ist ein strenges Erfordernis, und zwar insbesondere dann, wenn Prismen zwischen dem Objektiv und dem Sensor anzuordnen sind.There for all Functions the distance of the target point over a 10 times the focal length is the distance between the optical system and the sensor (pixel) be nearly the same as the focal length, what "rain", "twilight" - and "meeting on a vehicle" - (detection of Taillights) functions under 5 mm. The distance is a strict requirement, and in particular then, when arranging prisms between the lens and the sensor are.
Dann gibt es das Problem in Bezug auf die Isolierung einer Vorderseitenüberwachungsfunktion. Eine mögliche Lösung enthält die Verwendung einer Trennwand mit einer rechteckförmigen Öffnung. Die Öffnung hat dieselbe Form und dieselbe Größe wie die Vorderseitenüberwachungsbereiche.Then there is the problem in terms of isolating a front monitor function. A possible solution contains the use of a partition with a rectangular opening. The opening has the same shape and size as the front panel areas.
Betrachtet man nun "Dämmerung"- und "Nebel"-Funktionen, gibt es das Problem bezüglich der Tatsache, dass die optische Achse beispielsweise für einen Winkel von 60° in Bezug auf Bewegungsrichtungen nach oben geneigt sein sollte. Eine Erfassung ist vom Typ keiner Bildgabe.considered Now you have "twilight" and "fog" functions it's the problem the fact that the optical axis, for example for a Angle of 60 ° in Reference to directions of movement should be tilted upwards. A Capture is of the type no rendering.
Für diese
zwei Funktionen löst
die Erfindung das Problem bezüglich
der Neigung der optischen Achse durch Verwenden von herkömmlichen
optischen Fasern, wie beispielsweise der optischen Faser
Ein
Schritt nach der Integration von "Vorderseitenüberwachung"-, "Nebel"- und "Dämmerung"-Funktionen
durch ein Objektiv und optische Fasern besteht in der zusätzlichen
Integration einer "Regen"-Funktion. Für die letztere
Funktion sind optische Bildgebungskomponenten nötig, d.h. Linsen und Prismen.
Das Blickfeld einer Vorderseitenüberwachungsfunktion
hat eine optische Achse, die um einige Grad nach unten geneigt ist.
Für "Dämmerung"-, "Regen"- und "Nebel"-Funktionen ist die
Neigung um 60 Grad nach oben. Tatsächlich gibt es für die letzteren
drei Funktionen eine breite Toleranz. Eine Variation von 5-6 Grad
enthält
keine wesentliche Änderung,
insoweit eine Funktionsfähigkeit
betroffen ist. Eine mögliche
optische Lösung
besteht im Halten einer Matrixebene orthogonal zu der optischen
Achse einer Vorderseitenüberwachungsfunktion
und im Ändern
der Richtung der optischen Achse für die anderen drei Funktionen
mittels Prismen. Der Toleranzbereich für eine Ausrichtung ermöglicht,
ein Prisma auszuwählen,
das die optische Achse um 60 Grad in Bezug auf die Senkrechte zur
Bildebene (Matrixebene) ablenkt. Das in Betracht gezogene Prisma
(Littrow-Prisma) ist in den
Das
Prisma
Für die optische
Isolierung des Bündels,
das aus dem Prisma
Diese Art von optischem System (Objektiv plus Prisma) kann auch zusammen mit dem Objektiv für eine Vorderseitenüberwachungsfunktion verwendet werden. Die Tatsache, dass die zwei optischen Systeme nicht dieselbe Achse haben, ist insoweit von Vorteil, als die Größe betroffen ist.These Type of optical system (lens plus prism) can also work together with the lens for a front-side monitoring function be used. The fact that the two optical systems not having the same axis is beneficial in that respect as the size affected is.
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